高超声速飞行器高温流场数值模拟面临的问题

随着高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性研究的发展和深入,高温流场特性日益引起人们的关注。由于高温流场特性研究中涉及到非常多的复杂气动现象,如气动加热、烧蚀、辐射、燃烧、化学反应以及湍流等,因此其数值模拟面临着诸多挑战。这里基于连续流计算流体力学(CFD)技术和稀薄气体蒙特卡罗直接仿真(DSMC)方法,从化学物理模型建模、方法稳定性与数值求解效率出发,分析了高超声速飞行器外部绕流、尾迹和发动机喷焰三方面的流场特性数值模拟在不同弹道、热防护手段和飞行流域环境下所面临的问题。在此基础上提出了数值求解技术和化学物理模型建模今后需要发展的方向,为有效提高高超声速高温流场特性数值模拟效率、增加流场特性预测精度提供了指导,从而为研究流场对高超声速飞行器目标光辐射和电磁散射特性影响提供有效的基础数据。     

新一代多用途载人飞船概念研究

在"神舟"载人飞船进入成熟稳定期后,中国有必要尽早启动新一代多用途载人飞船的论证和研制。本文对国外新一代载人飞船的技术方案特点、新的设计理念及发展现状进行了分析,从适应多任务、降低运营成本、钝头体气动外形、更高安全可靠性以及新型轻质材料使用等多个方面总结了国外新一代载人飞船的技术发展趋势。初步分析了中国发展新一代载人飞船的近地轨道、载人登月、载人登小行星、载人登火星等任务需求,基本确定了新一代飞船的总体性能参数,并在此基础上梳理了新一代载人飞船技术途径,初步提出了两种方案设想,为中国新一代载人飞船的研制提供参考。     

高超声速飞行器自适应反步控制器设计

针对含有不确定干扰项的吸气式高超声速飞行器模型,分别设计了基于反馈线性化的速度控制器和基于反步法的航迹控制器,以实现对速度和航迹角参考信号的稳定跟踪。通过指令滤波器得到俯仰角的实际跟踪指令及其一阶、二阶微分信号,可直接设计升降舵控制指令,在解决了虚拟控制量求导"复杂性爆炸"问题的同时,减少了反推计算步数,从而达到提高系统动态性能和优化控制器结构的目的。基于LaSalle不变集原理和Lyapunov理论设计的自适应更新律保证了系统的稳定性。仿真结果表明,所设计的控制器在飞行器存在不确定干扰的情况下仍能满足对参考信号跟踪性能的要求。     

基于轴对称比拟的高超声速复杂外形气动热预测方法研究

轴对称比拟法是高超声速飞行器气动热计算的一种有效方法。针对轴对称比拟法应用时公式推导繁琐、变量迭代复杂、计算量大的缺陷,直接在笛卡尔坐标系下采用三维线性方程拟合物面方程及流场变量,推导出相应的流线尺度因子计算公式,扩展了驻点区热流密度的计算方法,提出了一种驻点区下游流线推进格式。以改进的轴对称比拟法为基础,将边界层外无粘流场数值方法与边界层内气动热工程算法进行耦合,发展了一套适用于三维复杂外形飞行器的气动热计算方法。通过对球头钝锥和双椭球算例进行验证,结果表明:方法计算效率较高,适用范围较广,热流计算结果和实验数据吻合良好。     

重复使用贮箱结构选材及评价标准研究进展

可重复使用低温贮箱是发展重复使用运载器的关键领域之一.本文从国外重复使用贮箱结构材料选用及评价标准、国外贮箱结构设计取值方法及材料体系、贮箱结构材料试验体系三方面综述了重复使用贮箱结构材料选用及评价标准研究进展.系统介绍了泡沫材料、先进铝锂合金材料以及复合材料等在重复使用低温贮箱上的应用情况以及评定上述材料的试验方法.     

铝锂合金贮箱焊接技术研究现状

铝锂合金是制造航天运载器贮箱的理想材料,其连接技术也是航天领域所关注的问题.本文综述了典型新一代铝锂合金材料2195及1460铝锂合金的主要焊接方法及其发展现状.与传统钨极氩弧焊、真空电子束焊、变极性等离子弧焊等熔化焊方法相比,新型固相连接技术搅拌摩擦焊由于能够获得更为优质的接头性能,有望在铝锂合金贮箱结构的连接上获得广泛应用.     

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

基于部件分解法的运载火箭RCS仿真计算方法

为估算运载火箭的RCS（Radar Cross Section,雷达散射截面积）,采用部件分解法对运载火箭进行电磁散射几何建模,根据飞行过程中运载火箭和雷达的几何关系建立雷达照射目标视线角的计算模型,并运用高频散射理论提出运载火箭RCS的仿真计算方法;最后,对运载火箭的静态RCS和动态RCS进行仿真计算与分析.结果表明：对运载火箭电磁散射几何建模合理可行,提出的火箭RCS计算方法可以满足工程应用需要.采用该方法仅修改几何建模中的模型结构和部分尺寸参数即可方便计算不同型号运载火箭的RCS特性,可以为航天测控雷达系统设计和布站优化提供依据.     

水下固体火箭发动机的推力特性

在微观层面上对火箭发动机射流结构变化对推力的影响规律进行分析研究.采用轴对称模型对不同工况下的二维发动机模型进行数值模拟,获取推力振荡曲线,并研究不同阶段的推力变化,探究推力峰值与断裂的对应关系及推力振荡幅值与频率随工作环境变化的关系.研究结果表明:推力振荡产生的原因是射流在激波诱导下产生周期性颈缩;由于胀股及回击破碎的作用,水下射流推力存在多阶频率峰值;根据胀股主要处于中频段的重要结论对前4阶频率的研究表明射流回击与胀股具有相关性.      

镍基合金GH4169疲劳小裂纹的扩展行为

基于表面复型法,采用快速固化材料RepliSet监测了镍基合金GH4169单边缺口拉伸试样疲劳小裂纹的萌生和扩展行为,利用光学显微镜对复型进行了观测。结果表明:RepliSet材料可有效复制试样表面形貌,记录疲劳小裂纹的萌生和扩展过程。镍基合金GH4169疲劳小裂纹起始于材料表面夹杂,疲劳小裂纹早期扩展阶段受微观结构影响,扩展速率波动性较大。疲劳小裂纹扩展过程中的临界裂纹长度约为250μm,当主裂纹长度小于250μm时,裂纹扩展非常缓慢;但当裂纹长度超过250μm后,疲劳小裂纹快速扩展成为长裂纹并导致试样断裂。在双对数坐标系中,疲劳小裂纹扩展速率和裂纹长度近似为线性关系。